不规则海底环境水声和地声全波场计算及传播机理研究

The calculation and prediction of the ocean acoustic field is the basis for underwater detecting, identification, communications and monitoring of the marine environment. With the development of acoustics towards low-frequency, it is of important theoretical significance and realistic importance to calculate the full-wavefield accurately in complex underwater environment, including underwater acoustic and low-frequency seismoacoustic. This project intends to perform high-precision calculations of the full-wavefield in typical irregular seabottom environment such as fluctuated layered elastic bottom, slope layered elastic seabottom, deep sea environment with seamounts. The propagation mechanism will be analyzed using the simulation result and offshore data. In order to get accurate result, firstly, it is very important to mesh the model and optimize the grid to improve the stability of SEM when using in irregular ocean environment. The excitation and propagation mechanism of seismoacoustic, including body waves, interface waves and T waves (alternate name Tertiary wave or T-phase wave) will be simulated in three typical submarine environments. Analysis of offshore data and explain of experimental phenomena will be conducted. The research of this project focuses on theoretical simulation and experimental verification, which can clarify the propagation mechanism of low-frequency seismoacoustic and provide a basis for the application of sea-bottom parameters inversion, underwater detection and communications.

海洋声场的计算和预报是进行水下探测、识别、通信以及海洋环境监测等活动的基础。随着海洋声学向着低频带发展，准确计算复杂海洋环境的全波场—包括水声和低频地声，具有切实的理论和实际意义。本项目拟进行典型的不规则海底环境（边界起伏的层状弹性海底、倾斜分层弹性海底、带有海底山的深海环境）中全波场高精度计算，结合海上实验数据，分析波场特性。为精确计算水下全波场，建立和优化网格剖分，提升谱元法在复杂海洋环境中应用的稳定性；仿真模拟三种海底环境下地声—包括体波、T波、界面波的激发和传播；分析海上实验数据，解释实验现象。本项目的研究致力于理论仿真和实验验证，研究成果可以摸清低频地声的传播机理，为地声信号在海底参数反演、水下探测和通信方面的应用提供基础。

近些年来随着海洋声学向着低频发展,低频地声场对海洋声场的影响和贡献不可忽略。准确计算复杂海洋环境中低频水声和地声的全波场,并研究其传播机理具有切实的理论和实际意义.为解决低频地声场的仿真问题，将谱元法引入到水声学中，并对该方法做了适合计算复杂海底环境下水声场和地声场的改进，使得谱元法可以对任意复杂海底环境下甚低频（100Hz以下），甚至几赫兹以下的，包括水中声波、首波、界面波、横波、海底反射纵波等在内的全波场进行精确预报，为低频水声和地声研究提供了有力工具。几种典型的复杂海洋模型的仿真计算表明：海底表面较难接收到由震源直接激发的界面波，其声场以水声信号为主；而出露的基岩或者凸起的海底山，可以作为二次源，激发出强烈的界面波，这种低频界面波最佳的接收位置在坚硬基岩的表面，而非软泥层和海水的分界面。界面波可以在海底下面的高速基底层传播，并可能在岸边井中某个深度接收到。这些仿真结果为研究低频水声和地声的传播机理提供了数据，同时也为海上实验的声源和检波器的布放提供了指导。通过大量海上实验数据分析,基本摸清了海洋环境中几种地声的传播规律。海底界面波具有频率低、振幅大、频散严重、激发强度与声源深度有密切关系的特点。对2018年5月的海上实验的OBS（Ocean Bottom Seismometer）接收的数据进行以上分析，在水深126米的OBS地震记录中，识别出了低频界面波信号并提取了其频散信息。低频界面波信号分布在1.0-2.9Hz，在收发距5km范围内可以观测到，其能量随着距离的一次方衰减。分析了声压和水平振速不同组合的声能流，结果显示，声压和水平振速组成的声能流，其信噪比比单独用声压时高2dB左右。以上研究基本摸清了几种典型的低频地声的传播机理，增强了对海洋中次声波传播机理的认识，为低频地声成分在水声中的应用提供了参考。